基于Pro/E的插秧機(jī)三維設(shè)計及性能分析

摘 要：文章提出了基于Pro/E軟件的水稻插秧機(jī)三維設(shè)計解決方案，用pro/e建立了分插機(jī)構(gòu)、送秧機(jī)構(gòu)中移箱機(jī)構(gòu)的三維模型及分插機(jī)構(gòu)與移箱機(jī)構(gòu)的整體三維模型，介紹了分插機(jī)構(gòu)和送秧機(jī)構(gòu)的聯(lián)系，并重點進(jìn)行了分插機(jī)構(gòu)的運動模擬仿真，從而提高設(shè)計速度、縮短設(shè)計周期，提高工作效率，減少設(shè)計成本。

關(guān)鍵詞：水稻插秧機(jī)；Pro/E；三維建模；運動仿真

1 研究背景

水稻機(jī)械化插秧技術(shù)是繼品種和栽培技術(shù)更新之后進(jìn)一步提高水稻勞動生產(chǎn)率的又一次技術(shù)革命。插秧機(jī)可以說是水稻生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不可或缺的工具，隨著農(nóng)民對其需求的改變，其現(xiàn)有的工作模式需要發(fā)生變化，只有這樣才能提高工作效率，改善人們的生活水平[2]。作為糧食生產(chǎn)中極為重要的工具， 發(fā)展提高插秧機(jī)的技術(shù)和性能， 不僅可以提高工作效率、減輕勞動強(qiáng)度， 還能保證糧食質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益、增加糧食產(chǎn)量， 解決目前的糧食危機(jī)。

2 三維建模及運動仿真

Pro/e是美國PTC引公司旗下的產(chǎn)品Pro/Engineer軟件的簡稱。Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的重要產(chǎn)品。用Pro/E進(jìn)行機(jī)構(gòu)運動仿真，方便快捷、過程簡便[3]。

2.1 分插機(jī)構(gòu)的三維建模及運動仿真

分插機(jī)構(gòu)是水稻插秧機(jī)的最核心部分，其性能的高低直接決定了插秧效率的高低，曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)依然是目前應(yīng)用最廣泛的水稻秧苗移栽機(jī)構(gòu)。對于手扶步進(jìn)式插秧機(jī)而言，分插機(jī)構(gòu)是形成“海豚”形軌跡的核心要素，也是實現(xiàn)推秧的核心工作部件。

2.1.1 曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)的組成與工作原理

文章研究的是曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)。曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)由曲柄、栽植臂（連桿）、搖桿和機(jī)架固定桿組成四連桿機(jī)構(gòu)。曲柄固定在傳動軸上做圓周運動，搖桿相對其擺動中心做往復(fù)運動，而分離針（秧爪）固定栽植臂，栽植臂及連桿做平面復(fù)雜運動，其秧爪的運動軌跡及連桿曲線的一種。這種分插機(jī)構(gòu)屬于往復(fù)直插式的工作原理，可以達(dá)到分秧與插秧要求。適用于帶土苗插秧，結(jié)構(gòu)簡單，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，密封性好，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外插秧機(jī)上。

2.1.2 分插機(jī)構(gòu)的三維建模及運動軌跡

根據(jù)分插機(jī)構(gòu)的裝配要求，利用Pro /E對分插機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行虛擬裝配。根據(jù)實際要求，選擇合適的約束對零部件進(jìn)行裝配[4]。零部件裝配成的分插機(jī)構(gòu)的三維圖如下圖1所示。

圖1 分插機(jī)構(gòu)三維圖 圖2 秧針尖端軌跡

然后對模型進(jìn)行添加銷釘約束，通過伺服馬達(dá)驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，相繼帶動搖桿轉(zhuǎn)動，接著凸輪轉(zhuǎn)動帶動撥叉運動，當(dāng)凸輪不接觸撥叉時，彈簧推動推秧器向下移動，就這樣，反復(fù)運動，就形成了插秧的軌跡如圖2所示。

2.2 送秧機(jī)構(gòu)的三維建模

送秧機(jī)構(gòu)包括縱向送秧機(jī)構(gòu)和橫向送秧機(jī)構(gòu)，每橫向取完一排秧苗，縱向送秧一次，將秧苗推向下方，為取下一排秧苗做準(zhǔn)備。其作用是按時、定量地把秧苗送到秧門處，使秧爪每次獲得需要的秧苗。送秧機(jī)構(gòu)中移箱機(jī)構(gòu)是極其關(guān)鍵的部分，文章以東洋水稻插秧機(jī)為例說明凸輪式移箱機(jī)構(gòu)的構(gòu)造及工作原理，并進(jìn)行相關(guān)的建模。

凸輪式移箱機(jī)構(gòu)主要由雙螺旋軸、傳動軸、縱向送秧軸和橫向送秧軸組成。其設(shè)計的優(yōu)點是工作穩(wěn)定、強(qiáng)度較好、動作準(zhǔn)確到位、抗振性能強(qiáng)等。該插秧機(jī)的變速箱輸出的動力通過移箱機(jī)構(gòu)中的鏈輪帶動動力輸入軸，然后直接驅(qū)動曲柄搖桿式分插機(jī)構(gòu)工作，這樣可以避免傳遞級數(shù)過多而導(dǎo)致的傳動效率降低，同時也可以使分插機(jī)構(gòu)的取秧、插秧及自身的旋轉(zhuǎn)所需的動力得到保證。在該結(jié)構(gòu)中設(shè)有滑套縱跨橫向送秧軸、雙螺旋軸和縱向送秧軸等三軸，這樣能夠增加機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[6]。移箱機(jī)構(gòu)的建模如圖3所示。

圖3 移箱機(jī)構(gòu)

2.3 分插機(jī)構(gòu)和移箱機(jī)構(gòu)整體三維建模

2.3.1 分插機(jī)構(gòu)推秧裝置和送秧機(jī)構(gòu)的聯(lián)系

分插機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周，進(jìn)行一次插秧，移箱機(jī)構(gòu)同時配合分插機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確地實現(xiàn)橫向和縱向送秧工作。分插機(jī)構(gòu)和送秧機(jī)構(gòu)聯(lián)系的研究直接關(guān)系到送秧、取秧、插秧等一系列的重要工作，將兩者當(dāng)做一個整體來研究是非常有必要的。

2.3.2 分插機(jī)構(gòu)和移箱機(jī)構(gòu)整體三維建模

分插機(jī)構(gòu)和送秧機(jī)構(gòu)在整體裝配時，由于零件數(shù)目比較多，應(yīng)先將相關(guān)零件組裝成子組件，然后把所有的子組件再裝配成總裝配體。整體裝配由移箱機(jī)構(gòu)子組件、鏈輪箱子組件、分插機(jī)構(gòu)子組件組成。（1）移箱機(jī)構(gòu)子組件。移箱機(jī)構(gòu)子組件由橫向送秧軸子裝配、縱向送秧軸子裝配、動力軸子裝配組成，由子裝配體間的裝配關(guān)系建立相關(guān)的裝配約束，最后得移箱機(jī)構(gòu)子組件。（2）鏈輪箱子組件。鏈輪箱子組件由鏈輪、鏈輪軸、鏈條及鏈輪箱殼體等組成。（3）分插機(jī)構(gòu)子組件。插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)子組件由左右兩個對稱的分插機(jī)構(gòu)組成。（4）總裝配。總裝配（見圖 4）由移箱機(jī)構(gòu)子組件、鏈輪箱子組件、分插機(jī)構(gòu)子組件等組成。

3 結(jié)束語

通過在計算機(jī)軟件上建立插秧機(jī)虛擬的裝配模型， 并對其運動機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，可以實現(xiàn)利用數(shù)字化試驗形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物實驗，這樣可以大大地簡化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低成本，并提高產(chǎn)品的系統(tǒng)性能， 獲得有創(chuàng)新意義的及最優(yōu)化的設(shè)計產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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